应用时域有限差分法研究室内低频声学问题

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声在室内的传播是一个物理过程,在处理室内声学问题时,线性声学的假设是合理的,此时,声场参量(声压、质点速度)满足波动方程。然而,由于室内声反射体和边界情况十分复杂,不可能求得波动方程的解析解。随着计算机科学与技术的发展,由计算机求得声波方程的数值解成为可能,于是有了基于波动理论的时域有限差分法在室内声学中的应用。 本文首先介绍了可听化技术的概念和计算机研究室内声学问题的几种方法。比较详细地介绍了时域有限差分法的基本理论,包括应用有限差分法求解波动问题的一般过程,空间网格划分的基本方法和时域有限差分法的三大要素-稳定条件、数值色散误差的处理、吸收边界条件。从描述质点振动的牛顿动力学方程和介质连续性方程出发,给出了截断边界以内计算区域中,递推声场参量的基本差分格式。提出了在建筑边界截断计算区域的边界条件,边界条件与截断边界以内的基本差分格式相结合,构成本文研究的基本数学框架。 文章介绍了弯曲墙壁边界面的处理方法,介绍了研究中所采用的脉冲声源和编程、计算获取受声点脉冲响应的基本思想。由于计算机资源的限制,研究中网格的尺寸不可能无限小,网格越大研究适合的频率就越低,在文中所取的最大网格尺寸条件下,研究也适合350Hz以下频率的声波。计算程序用Matlab编写,用Dirac软件处理受声点的脉冲响应,获取受声点的音质参数。对于边界条件、计算程序的可靠性,文章从定性分析、定量计算、实际测量、与经典理论和已有研究对比几个方面进行了验证。 坐席低谷效应是典型的室内低频声学现象,本文研究了坐席低谷效应与以下因素的关系:低谷效应与受声点离声源间坐席排数、受声点离地面高度、时间窗宽度、坐椅间距、坐椅高度,以及在同一排中,不同受声点位置的低谷效应和坐席起坡时的低谷效应,研究结果与相关研究和已有的实验结果相吻合。 本文还研究了矩形房间体型和室内圆柱反射体对于声场和音质影响。研究5种不同体型的矩形房间中的声场时,并未发现某一房间的音质与体型存在特殊的关系与规律。房间中的圆柱体对声波的反射加快了声场的扩散,使声场均匀度得到改善。当圆柱体分布在房间的两侧时,房间中各场点的声能衰减曲线出现类似于附加耦合空间时的折线。 在耦合空间与主厅体积比为1/3模型下,研究了耦合窗面积变化时,主厅中8个受声点位置的耦合常数和声能衰减特性;研究了耦合空间体积与主厅体积比变化时,主厅中各受声点位置的耦合常数和声能衰减特性,得到了与已有相关研究一致的结论,还发现了一些新的声学现象。 本文研究表明,时域有限差分法是研究室内声学问题的重要方法,尤其适合低频声学问题的研究,文中的研究结论对于指导室内音质设计很有意义。
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